一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器，用于将LED光源发出的光线汇聚至光纤入射端，包括：第一透镜组件，包括圆柱状的第一空腔以及设置在第一空腔顶部的下凹式的第一自由曲面，LED光源放置于第一空腔内，LED光源的小角度光线通过第一自由曲面进行准直；第二透镜组件，包括设置在第一空腔外围的圆柱状的第二空腔以及设置在第二空腔顶部的外凸式的第二自由曲面，通过第一自由曲面准直后的光线经过第二自由曲面后汇聚至光纤入射端；反射器，设置在第二透镜组件的外部，具有第三自由曲面，用于将LED光源的大角度光线反射并汇聚至光纤入射端。光线反射并汇聚至光纤入射端。光线反射并汇聚至光纤入射端。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器


[0001]本技术属于LED光纤照明耦合器的
，具体涉及一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器。

技术介绍

[0002]LED光纤照明系统能够实现光电分离，广泛应用于特殊环境的照明场景，例如内窥镜照明，盐雾、霉菌、水汽、矿井等环境下照明。LED光源为朗伯发光体，发光角度范围为0
°
至180
°
，而光纤是根据全反射的原理进行光线的传输，它有一定的数值孔径，因此光纤存在最大入射角，进入光纤入射端面的光线与光纤光轴的夹角小于最大入射角时(一般小于30
°
)，光线才能在光纤中进行传输，否则会从光纤的侧面射出，成为杂散光。LED光纤照明耦合器的功能是将LED发出的光线尽可能多的耦合进入光纤入射端面，并且能够在光纤中发生全反射。
[0003]现有的LED光纤照明耦合器有三种实现方案：1.单颗LED与光纤入射端面直接耦合，2.单颗LED和透镜组与光纤耦合，3.多颗LED和透镜组与光纤耦合。
[0004]CN 109893085A公布了一种单颗LED与光纤入射端面直接耦合的方案，实现了一种体积小、可靠性高的手持式眼底相机，但由于LED与光纤的入射端面直接耦合，大部分光线无法与光纤良好耦合，系统光效低，产生的热量多。
[0005]CN 208569112U公布了一种单颗LED和透镜组与光纤耦合的方案，先通过准直透镜将单颗LED发出的光线准直，再通过汇聚透镜将光线汇聚到光纤入射端面，但是LED发出的大角度光线很难通过透镜进行准直，同时过多的透镜也会降低系统的光学效率。
[0006]CN 211011180U公布了一种单颗LED和透镜组与光纤耦合的方案，先通过TIR透镜将单颗LED光线准直，再通过会聚透镜将光线汇聚到光纤入射端面，虽然该方案收集了大角度的LED光线，但是TIR和透镜的组合造成系统体积大，不利于系统的小型化；同时单透镜的汇聚存在球差，会在焦点附近形成弥散斑，会造成系统光学效率低。
[0007]CN 208459632U公布了一种多颗LED光源与透镜组进行耦合的方案，由于汇聚透镜需要汇聚多颗LED发出的光线，造成系统的体积较大，同时因无法收集LED大角度的光线，造成系统的光学效率低。
[0008]因此在LED光源耦合器的技术中迫切需要一种耦合效率高、系统结构紧凑的LED光源耦合器。

技术实现思路

[0009]本技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器。
[0010]本技术提供了一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器，用于将LED光源发出的光线汇聚至光纤入射端，具有这样的特征，包括：第一透镜组件，包括圆柱状的第一空腔以及设置在第一空腔顶部的下凹式的第一自由曲面，LED光源放置于第一空腔内，
LED光源的小角度光线通过第一自由曲面进行准直；第二透镜组件，包括设置在第一空腔外围的圆柱状的第二空腔以及设置在第二空腔顶部的外凸式的第二自由曲面，通过第一自由曲面准直后的光线经过第二自由曲面后汇聚至光纤入射端；反射器，设置在第二透镜组件的外部，具有第三自由曲面，用于将LED光源的大角度光线反射并汇聚至光纤入射端，其中，第一自由曲面、第二自由曲面以及第三自由曲面的面型数据根据边缘光线理论和Snell定律，通过迭代计算法计算获得。
[0011]在本技术提供的基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器中，还可以具有这样的特征：其中，第一透镜组件、第二透镜组件以及反射器均为旋转对称结构。
[0012]在本技术提供的基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器中，还可以具有这样的特征：其中，第一透镜组件和第二透镜组件通过光学胶与反射器进行固定组合。
[0013]在本技术提供的基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器中，还可以具有这样的特征：其中，第一透镜组件和第二透镜组件采用PMMA材料。
[0014]在本技术提供的基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器中，还可以具有这样的特征：其中，反射器采用塑料或玻璃材质，并镀有高反射膜，反射器的厚度根据应用需求和加工水平确定。
[0015]技术的作用与效果
[0016]根据本技术所涉及的一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器，因为能够通过第一透镜组件、第二透镜组件以及反射器同时对LED光源的大角度光线和小角度光线进行汇聚利用，所以，能够提高光能利用率，降低散热难度；因为第一透镜组件、第二透镜组件以及反射器根据边缘光线原理能够保证出射光线与光纤数值孔径相匹配，所以能够适用于细径光纤，提高耦合效率；并且本技术的基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器系统结构紧凑，通过三个自由曲面就能完成光线的准直和汇聚。
附图说明
[0017]图1是本技术的实施例中一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器的结构示意图；
[0018]图2是本技术的实施例中的基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器对LED光源光线的汇聚示意图；
[0019]图3是本技术的实施例中第一透镜组件与第二透镜组件的组合结构示意图；
[0020]图4是本技术的实施例中的反射器的结构示意图；
[0021]图5是本技术的实施例中LED光纤照明耦合器在xy平面第一象限内的面型图；
[0022]图6是本技术的实施例中的第一自由曲面的设计示意图；
[0023]图7是本技术的实施例中的第二自由曲面的设计示意图；
[0024]图8是本技术的实施例中的第三自由曲面的设计示意图。
具体实施方式
[0025]为了使本技术实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本技术作具体阐述。
[0026]<实施例>
[0027]图1是本技术的实施例中一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器的结构示意图；图2是本技术的实施例中的基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器对LED光源光线的汇聚示意图。
[0028]如图1和图2所示，本实施例的一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器100，用于将LED光源1发出的光线汇聚至光纤入射端2，包括第一透镜组件3、第二透镜组件4以及反射器5。
[0029]图3是本技术的实施例中第一透镜组件与第二透镜组件的组合结构示意图。
[0030]如图3所示，第一透镜组件3包括圆柱状的第一空腔32以及设置在第一空腔顶部的下凹式的第一自由曲面31，LED光源1放置于第一空腔32内，LED光源1的小角度光线通过第一自由曲面31进行准直。
[0031]第二透镜组件4包括设置在第一空腔32外围的圆柱状的第二空腔42以及设置在第二空腔42顶部的外凸式的第二自由曲面41，通过第一自由曲面31准直后的光线经过第二自由曲面41后汇聚至光纤入射端2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自由曲面的高效率LED光纤照明耦合器，用于将LED光源发出的光线汇聚至光纤入射端，其特征在于，包括：第一透镜组件，包括圆柱状的第一空腔以及设置在所述第一空腔顶部的下凹式的第一自由曲面，所述LED光源放置于所述第一空腔内，所述LED光源的小角度光线通过所述第一自由曲面进行准直；第二透镜组件，包括设置在所述第一空腔外围的圆柱状的第二空腔以及设置在所述第二空腔顶部的外凸式的第二自由曲面，通过所述第一自由曲面准直后的光线经过所述第二自由曲面后汇聚至所述光纤入射端；反射器，设置在所述第二透镜组件的外部，具有第三自由曲面，用于将所述LED光源的大角度光线反射并汇聚至所述光纤入射端，其中，所述第一自由曲面、所述第二自由曲面以及所述第三自由曲面的面型数据根据边缘光线理...

【专利技术属性】
技术研发人员：张荣君，王程，刘未名，姚其，郑玉祥，陈良尧，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：新型
国别省市：